KR101631799B1 - 교량 거더의 시공중 전도 안정성 유지를 위한 시공 관리기준 설정방법 - Google Patents

교량 거더의 시공중 전도 안정성 유지를 위한 시공 관리기준 설정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교량 거더의 시공 관리기준 설정 방법에 관한 것으로, 입력 확인수단(100)으로 교량 거더와 받침의 형상제원과 물성치가 입력되었는지 확인하는 입력데이터 확인단계(S1단계)와; 받침의 압축강성 산출수단(200)으로 받침의 압축강도를 산출하는 압축강도 산출단계(S2단계)와; 3차원 빔 모델 구성수단(300)으로 3차원 빔 모델을 구성하는 3차원 빔 모델 구성단계(S3단계)와; 비선형 해석 실시수단(400)으로 거더 자중과 점증 풍하중에 의한 비선형 해석을 실시하는 비선형 해석 실시단계(S4단계)와; 임계값 결정수단(500)으로 하중 변형곡선의 초기접선과 최종 접선의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 거더 횡변형량(거더의 중앙부의 1/2 높이 지점에서 횡방향 변형량), 임계 받침횡 회전각을 결정하는 임계값 결정단계(S5단계)와; 시공관리기준 설정수단(600)으로 시공관리기준을 설정하는 시공관리기준 설정단계(S6단계)로 이루어져 기존의 복잡하고 과도한 해석 시간이 요구되는 유한요소 해석 방법을 적용성이 우수하고, 즉각적인 결과 도출, 결과의 정량화가 가능하고, 교량 거더의 전도 안전성 평가를 바탕으로 거더의 거치 시 전도 안전성을 확보하기 위한 시공 관리기준을 설정하며, 단순하고 간단한 평가 및 시공 관리기준 설정으로 경비를 절감하여 경제성이 탁월한 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

교량 거더의 시공중 전도 안정성 유지를 위한 시공 관리기준 설정방법{Method for establishing constructional control criterion for the roll-over stability of bridge girders}
본 발명은 교량 거더의 거치를 위한 시공 관리기준 설정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해당 거더의 가설시 전도 불안전성을 유발할 수 있는 임계(critical) 풍하중과 거더의 임계 횡방향 변형량과 받침의 임계 횡방향 회전각을 계산하여 가설시 거더의 초기 변형량과 받침의 시공오차, 변형량과 풍하중에 대한 관리 기준을 설정하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법에 관한 것이다.
일반적으로 거더교는 우수한 구조 성능과 시공성, 경제성 등의 장점으로 오늘날 전 세계적으로 가장 많이 사용하는 교량의 한 형식이다. 최근에는 재료의 고강도화와 거더 단면의 최적화로 장견간 거더의 설계 및 시공이 증가하고 있다.
그러나, 교량 거더의 장견간화는 거더의 전도 불안전성(roll-over instabil ity)에 대한 위험성을 높이고, 특히, 교량 거더의 전도 불안정을 평가할 수 있는 해석적 방법이나 설계기준이 명확하지 않다.
전산해석적 방법으로는 3차원 솔리드(solid) 요소를 이용한 유한요소 해석방법이 사용되고 있으나 구조체 모델링의 복잡성과 해석 시간의 과다 요구, 결과 평가의 어려움 등으로 실제 적용이 매우 어렵다는 결점이 있었다.
한편 안전점검 및 정밀안전진단의 목적은 현장조사 및 각종 시험에 의해 시설물의 물리적, 기능적 결함과 내재되어 있는 위험요인을 발견하고, 이에 대한 신속하고 적절한 보수, 보강 방법 및 조치방안 등을 제시함으로써 시설물의 안전을 확보하고자 함에 있다.
이러한 안전점검 및 정밀안전진단의 종류에는 정기점검, 정밀점검, 긴급점검, 정밀안전진단 등이 있다.
정기점검은 경험과 기술을 갖춘 자에 의한 세심한 육안검사 수준의 점검으로서 시설물의 기능적 상태를 판단하고 시설물이 현재의 사용요건을 계속 만족시키고 있는지 확인하기 위한 관찰인 것으로, 점검시기는 시설물의 준공일 또는 사용승인일(임시사용 포함)로부터 6월에 1회 이상 실시하여야 하며 정밀점검, 긴급점검 및 정밀안전진단의 현장조사 기간과 중복되는 반기에는 생략할 수 있다.
정밀점검은 시설물의 현 상태를 정확히 판단하고 최초 또는 이전에 기록된 상태로부터의 변화를 확인하며 구조물이 현재의 사용요건을 계속 만족시키고 있는지 확인하기 위하여 면밀한 육안검사와 간단한 측정, 시험장비로 필요한 측정 및 시험을 실시하는 점검인 것으로, 육안검사 및 측정, 시험 결과와 이전의 점검, 진단시 발견된 결함의 진전 및 신규발생을 파악하여 시설물의 주요 부재별 상태를 평가하고 이전의 점검, 진단시 상태평가 결과와 비교, 검토하여 시설물 전체에 대한 상태평가등급을 결정하여야 하며, 결함부위 등 주요 부위에 대한 외관 조사망도 작성 등 조사결과를 도면으로 기록하여야 한다. 이러한 정밀점검은 시설물의 준공일 또는 사용승인일(임시사용 포함)을 기준으로 산정하여 2년에 1회 이상 실시 완료하여야 하며 차회의 정밀점검은 전회의 정밀점검 또는 정밀안전진단 완료일을 기준으로 산정한다. 2001년 7월 30일 이전에 입찰공고된 시설물과 구조형태가 변화된 시설물은 준공, 또는 사용승인(임시사용 포함)후 6개월 이내에 최초의 정밀점검(이하, 초기점검)을 완료하여야 한다.
긴급점검은 관리주체가 필요하다고 판단한 때 또는 관계행정기관의 장이 필요하다고 판단하여 관리주체에게 요청한 때에 실시하는 정밀점검 수준의 안전점검이며 실시목적에 따라 손상점검과 특별점검으로 구분한다.
정밀안전진단은 안전점검으로 쉽게 발견할 수 없는 결함부위를 발견하기 위하여 정밀한 육안검사와 각종 측정, 시험장비에 의한 측정, 시험을 실시하여 시설물의 상태평가 및 안전성평가에 필요한 데이터를 확보하기 위한 것으로, 1종 시설물(공동주택 및 폐기물 매립시설은 제외)에 대하여 준공일 또는 사용승인일(임시사용 포함)을 기준으로 산정하여 10년이 경과된 시점부터 1년 이내에 실시 완료하여야 하며 차회의 정밀안전진단은 전회의 정밀안전진단 완료일을 기준으로 산정하여 5년에 1회 이상 정기적으로 실시 완료하여야 한다.
또한, 안전점검을 실시한 결과 시설물의 재해 및 재난 예방과 안전성 확보 등을 위하여 필요한 경우에는 정밀안전진단을 실시하여야 한다.
한편, 이러한 안전점검은 최초 설치 이후에 시간이 경과함에 따라 노후화되는 강재교량에도 적용되는데 종래에는 강재교량을 안전점검하는데 있어 별도의 비계 등의 임시가설대를 설치하여 이 위에서 안전점검진단자가 강재교량의 안전점검을 실시하였다. 그러나 이러한 임시가설대는 교량의 전체가 아닌 일부 구간만을 점검할 수밖에 없는 구조여서 교량의 전체를 점검하려면 설치와 철수과정이 반복됨으로 번거로움이 있고, 이에 따른 비용이 과다하게 지출되어 교량의 유지비용이 증가됨으로 비효율적인 문제점이 있었다.
상기한 문제점 들을 해결하고자 종래 개발된 "교량의 박스거더 내부 안전진단장치"가 특허 제0904535호로서 등록특허공보(특허문헌 1 참조)에 개시되어 있다. 상기 "교량의 박스거더 내부 안전진단장치"는 도 1에 도시한 바와 같이 교량과 교각 간에 설치되어지는 박스거더의 안전진단을 하는 장치에 있어서, 지면에 지지되어 고정되어지는 다수개의 교각(12)과; 상기 교각(12) 상측면에 결합 고정되고, 외부에서 가해지는 외압 및 진동을 흡수하는 박스거더(10)와; 상기 박스거더(10)의 상측에 설치되어지는 교량 슬래브(11)와; 상기 박스거더(10)의 내부 하측에 설치되어지며, 상기 눈금이 형성되어진 눈금판(60)과; 상기 박스거더(10)의 양측 벽면에 설치되고, 상기 눈금판측으로 연장되어 눈금판(60)의 눈금을 지시하는 계측침(50)과; 상기 박스거더(10)의 내부 상측면 중앙에 설치되어 상기 눈금판(60)을 촬영하는 카메라와; 상기 박스거더(10)의 양측벽면 내부 하측에 다수 설치되어 상기 박스거더(10)의 변형을 감지하는 감지센서(40)와; 상기 카메라(20)와 상기 감지센서(40)가 연결되어지며, 상기 카메라(20)에서 촬영되어지는 영상을 사용자의 조작으로 화면에 표시하며, 상기 감지센서(40)에서 감지되는 신호를 통해 경고등(30)으로 표시하는 안전진단 모니터링장치(10);를 포함하여 구성되어 점검자가 빠른시간에 교량의 안전진단을 할 수 있으며, 문제 발생시 빠른 조치가 가능한 것이다.
그러나 이러한 "교량의 박스거더 내부 안전진단장치"는 박스거더(10)의 변형 정도를 측정하여 그 측정된 값으로 거더의 전도를 예측하는 것이기 때문에 거더의 전도 불안정을 정밀하게 예측할 수 없을 뿐만 아니라, 측정된 변형 정도에 따른 전도 불안정성 발생 유무를 평가할 수 있는 방법이나 기준이 없다는 문제점이 있었다.
특허문헌 1 : 특허 제0904535호 등록특허공보
본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 "교량의 박스거더 내부 안전진단장치"에서 야기되는 여러 가지 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 기존의 복잡하고 과도한 해석 시간이 요구되는 유한요소 해석 방법을 적용성이 우수하고, 즉각적인 결과 도출, 결과의 정량화가 가능한 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 교량 거더의 전도 안전성 평가를 바탕으로 거더의 거치 시 전도 안전성을 확보하기 위한 시공 관리기준을 설정하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단순하고 간단한 평가 및 시공 관리기준 설정으로 경비를 절감하여 경제성이 탁월한 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법은 입력 확인수단(100)으로 교량 거더와 받침의 형상제원과 물성치가 입력되었는지 확인하는 입력데이터 확인단계(S1단계)와; 받침의 압축강성 산출수단(200)으로 받침의 압축강도를 산출하는 압축강도 산출단계(S2단계)와; 3차원 빔 모델 구성수단(300)으로 3차원 빔 모델을 구성하는 3차원 빔 모델 구성단계(S3단계)와; 비선형 해석 실시수단(400)으로 거더 자중과 점증 풍하중에 의한 비선형 해석을 실시하는 비선형 해석 실시단계(S4단계)와; 임계값 결정수단(500)으로 하중 변형곡선의 초기접선과 최종 접선의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 거더 횡변형량(거더의 중앙부의 1/2 높이 지점에서 횡방향 변형량), 임계 받침횡 회전각을 결정하는 임계값 결정단계(S5단계)와; 시공관리기준 설정수단(600)으로 시공관리기준을 설정하는 시공관리기준 설정단계(S6단계)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존의 복잡하고 과도한 해석 시간이 요구되는 유한요소 해석 방법을 적용성이 우수하고, 즉각적인 결과 도출, 결과의 정량화가 가능하고, 교량 거더의 전도 안전성 평가를 바탕으로 거더의 거치 시 전도 안전성을 확보하기 위한 시공 관리기준을 설정하며, 단순하고 간단한 평가 및 시공 관리기준 설정으로 경비를 절감하여 경제성이 탁월한 각별한 장점이 있다.
도 1은 종래 교량의 박스거더 내부 안전진단장치의 전체 구성도,
도 2는 종래 교량의 박스거더 내부 안전진단장치의 박스거더의 벽면이 비틀린 것을 나타낸 측 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 교량거더와 받침 요소의 모형화를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법의 블록 개념도,
도 5는 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법의 실행 순서도 이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 교량거더와 받침 요소의 모형화를 보여주는 도면, 도 4는 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법의 블록 개념도, 도 5는 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법의 실행 순서도로서, 본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법은 입력 확인수단(100)으로 교량 거더와 받침의 형상제원과 물성치가 입력되었는지 확인하는 입력데이터 확인단계(S1단계)와; 받침의 압축강성 산출수단(200)으로 받침의 압축강도를 산출하는 압축강도 산출단계(S2단계)와; 3차원 빔 모델 구성수단(300)으로 3차원 빔 모델을 구성하는 3차원 빔 모델 구성단계(S3단계)와; 비선형 해석 실시수단(400)으로 거더 자중과 점증 풍하중에 의한 비선형 해석을 실시하는 비선형 해석 실시단계(S4단계)와; 임계값 결정수단(500)으로 하중 변형곡선의 초기접선과 최종 접선의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 거더 횡변형량(거더의 중앙부의 1/2 높이 지점에서 횡방향 변형량), 임계 받침횡 회전각을 결정하는 임계값 결정단계(S5단계)와; 시공관리기준 설정수단(600)으로 시공관리기준을 설정하는 시공관리기준 설정단계(S6단계)로 이루어져 있다.
상기 입력데이터 확인단계(S1단계)에서 교량 거더는 양단 받침부 중앙 사이의 거리로 정의하며, 거더 단면 높이 1/2 지점을 중심으로 거더의 길이방향(교축방향)으로 3차원 빔요소로 모형화한다.
또한, 교량의 받침은 받침 길이 1/2 지점을 중심으로 받침의 폭 방향(교축직각방향)으로 총 n개(바람직 하게는 10개 이상)의 비선형 스프링요소(nonlinear spring element)로 모형화하고, 각각의 요소는 서로 강체연결(rigid link)로 연결한다.
상기 교량의 받침의 총(10,11,ㆍㆍㆍ>n)개의 비선형 스프핑요소(nonlinear spring element), 즉, 총(11,12,ㆍㆍㆍ>n+1)개의 절점으로 모형화하기 때문에 각 절점에서의 압축강성은 다음의 수학식1과 같이 계산한다.
Figure 112015040353858-pat00001
여기서, Ae, H는 각각 탄성받침의 유효단면적과 고무층의 총 두께이며, Ai는 i 절점(node)에서의 영향면적이다.
상기 압축강도 산출단계(S2단계)에서 받침의 압축강도는 받침의 제원으로부터 영향면적을 이용하여 아래의 수학식 2에 의해 계산한다.
Figure 112015040353858-pat00002
계산되어진 압축강성은 압축력에만 저항하고 인장력에는 저항하지 않는 비선형 스프링으로 정의한다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이 교량거더 요소(A)와 받침요소(B)는 강체연결(C, C'; rigid link)로 연결한다.
상기 비선형 해석 실시단계(S4단계)에서 교량거더 요소(100)와 받침요소(200)의 유한요소모델은 총 2 단계 해석으로 1단계는 자중에 의한 해석을 수행한 후, 2단계에서 단위 길이당 힘으로 정의된 풍하중을 거더의 빔 요소에 횡방향으로 작용시켜 풍하중이 증가함에 따른 비선형 해석을 수행한다.
해석 결과는 2 단계의 풍하중과 거더 중앙 절점에서의 횡방향 변위 선도, 풍하중과 받침의 한 절점에서의 횡방향 회전각 선도로부터 임계 풍하중과 거더 중앙부에서의 임계 횡방향변형, 받침에서의 임계 횡방향 회전각을 결정한다.
또한, 상기 임계값 결정단계(S5단계)에서 각각의 선도에서 초기 접선각과 해석 종료시의 접선각의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 변형값을 결정한다.
그리고, 상기 시공관리기준 설정단계(S6단계)에서 결정되어진 임계 풍하중, 임계 횡방향 변형, 임계 횡방향 회전각을 시공관리 기준으로 설정한다.
실시예
본 발명 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법에 따라 시공 관리기준을 설정하고 그 시공 관리기준의 적합성을 평가하였다.
먼저 입력데이터 확인단계(S1단계)에서 입력 확인수단(100)으로 교량 거더와 받침의 형상 제원과 물성치가 입력되었는지 확인하고, 압축강도 산출단계(S2단계)에서 받침의 압축강성 산출수단(200)으로 받침의 압축강도를 산출하였다.
그 다음 3차원 빔 모델 구성단계(S3단계)에서 3차원 빔 모델 구성수단(300)으로 3차원 빔 모델을 구성하고, 비선형 해석 실시단계(S4단계)에서 비선형 해석 실시수단(400)으로 거더 자중과 점증 풍하중에 의한 비선형 해석을 실시하였다.
이어서 임계값 결정단계(S5단계)에서 임계값 결정수단(500)으로 하중 변형곡선의 초기접선과 최종 접선의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 거더 횡변형량(거더의 중앙부의 1/2 높이 지점에서 횡방향 변형량), 임계 받침 횡회전각을 결정하고, 마지막으로 시공관리기준 설정단계(S6단계)에서 시공관리기준 설정수단(600)으로 시공관리기준 설정하고, 설정된 시공관리기준의 적합성을 평가하였다.
그 결과 설정된 시공관리기준이 교량 거더를 전도의 우려 없이 안전하게 설치할 수 있는 시공관리기준으로 적합함을 확인할 수 있었다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
100 : 입력 확인수단 200 : 받침의 압축강성 산출수단
300 : 3차원 빔 모델 구성수단 400 : 비선형 해석 실시수단
500 : 임계값 결정수단 600 : 시공관리기준 설정수단
A : 교량거더 요소 B : 받침요소
C, C' : 강체연결

Claims (10)

  1. 입력 확인수단(100)으로 교량 거더와 받침의 형상제원과 물성치가 입력되었는지 확인하는 입력데이터 확인단계(S1단계)와; 받침의 압축강성 산출수단(200)으로 받침의 압축강도를 산출하는 압축강도 산출단계(S2단계)와; 3차원 빔 모델 구성수단(300)으로 3차원 빔 모델을 구성하는 3차원 빔 모델 구성단계(S3단계)와; 비선형 해석 실시수단(400)으로 거더 자중과 점증 풍하중에 의한 비선형 해석을 실시하는 비선형 해석 실시단계(S4단계)와; 임계값 결정수단(500)으로 하중 변형곡선의 초기접선과 최종 접선의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 거더 횡변형량(거더의 중앙부의 1/2 높이 지점에서 횡방향 변형량), 임계 받침횡 회전각을 결정하는 임계값 결정단계(S5단계)와; 시공관리기준 설정수단(600)으로 시공관리기준을 설정하는 시공관리기준 설정단계(S6단계)로 이루어지고; 상기 입력데이터 확인단계(S1단계)에서 교량 거더는 양단 받침부 중앙사이의 거리로 정의하며, 거더 단면 높이 1/2 지점을 중심으로 거더의 길이방향(교축방향)으로 3차원 빔요소로 모형화하며; 상기 교량의 받침은 받침 길이 1/2 지점을 중심으로 받침의 폭 방향(교축직각방향)으로 총 10개 이상의 비선형 스프링요소(nonlinear spring element)로 모형화하고, 각각의 요소는 서로 강체연결(rigid link)로 연결하는 것을 특징으로 하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법에 있어서;
    상기 교량의 받침의 총(10,11,ㆍㆍㆍ>n)개의 빔요소, 즉, 총(11,12,ㆍㆍㆍ>n+1)개의 절점으로 모형화하기 때문에 각 절점에서의 압축강성은 다음의 수학식1과 같이 계산하고;
    [수학식 1]
    Figure 112016045011776-pat00003

    여기서, Ae, H는 각각 탄성받침의 유효단면적과 고무층의 총 두께이며, Ai는 i 절점(node)에서의 영향면적이다.
    상기 압축강도 산출단계(S2단계)에서 받침의 압축강도는 받침의 제원으로부터 영향면적을 이용하여 아래의 수학식 2에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법.
    [수학식 2]
    Figure 112016045011776-pat00004
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 교량거더 요소(A)와 받침요소(B)는 강체연결(C; rigid link)로 연결하는 것을 특징으로 하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 비선형 해석 실시단계(S4단계)에서 교량거더 요소(100)와 받침요소(200)의 유한요소모델은 총 2 단계 해석으로 1단계는 자중에 의한 해석을 수행한 후, 2 단계에서 단위 길이당 힘으로 정의된 풍하중을 거더의 빔 요소에 횡방향으로 작용시켜 풍하중이 증가함에 따른 비선형 해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 임계값 결정단계(S5단계)에서 각각의 선도에서 초기 접선각과 해석 종료시의 접선각의 교차점으로 임계 풍하중과 임계 변형값을 결정하는 것을 특징으로 하는 교량 거더의 시공 관리기준 설정방법.
  10. 삭제
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